论文部分内容阅读
随着材料科学与电子技术的发展,以柔性传感器、柔性储能装置、柔性发电设备等为代表的可穿戴器件在通信娱乐、健康监测和能源存储等方面得到了广泛应用。织物因其出色的可穿戴性、亲肤性以及与服装行业的兼容性,成为柔性电子器件基底的理想备选材料之一。如何在织物基底上实现柔性电子器件的快速、大面积以及低成本制备,已成为该领域的一大挑战。丝网印刷技术操作简便、成本低廉,广泛用于织物基柔性电子器件的构建,但丝网印刷功能材料层往往表面平整、结构致密,无法满足部分柔性器件对于表面微结构的需要。此外,织物基柔性电子器件在洗涤过程中通常伴随水渗透、去污剂侵蚀和机械扭曲/摩擦,其机洗耐受性也是目前亟待解决的问题。基于以上的背景,本论文围绕表面微结构的构建与织物基电子器件抗机洗两个问题,利用丝网印刷技术,在parafilm M?基底上制备了柔性超级电容器以及压阻传感器,并将其用作粘贴型织物基柔性电子器件。研究工作主要包括以下三方面:1.功能材料层表面微结构的丝网印刷构建本论文选择富勒烯纳米粉末、多壁碳纳米管和氧化石墨烯纳米片作为0D、1D和2D纳米材料的代表,分别用于制备印刷油墨,并研究如何通过油墨成分和比例的调整,实现电极表面微结构的丝网印刷构建。通过对所制备电极表面形貌的观察,发现丝网印刷层表面结构与油墨中纳米材料的维度高度相关。0D材料富勒烯油墨制得的表面较为平整致密,1D材料多壁碳纳米管油墨制得的表面呈有序微纳米结构,而使用2D材料氧化石墨烯油墨可获得褶皱状鱼鳞结构的表面。进一步研究表明,通过调整网板的尺寸,可有效控制电极表面微结构的疏密程度和微柱的尺寸。调整油墨中黏合剂的用量,获得质量比(多壁碳纳米管:黏合剂)为5:1、15:1、25:1的多壁碳纳米管油墨,通过丝网印刷可得到微柱矩阵状的表面结构,柱高可达41.4±4.6μm。基于以上研究结果,本论文提出了通过制备油墨实现丝网印刷表面微结构构建的可能机制。该研究可望为印刷电极表面微结构的可控制备提供一种新方法。2.Parafilm M?基可反复粘贴防水全固态柔性超级电容器本论文利用丝网印刷技术构建parafilm M?基可反复粘贴且防水的全固态柔性超级电容器。由于平整、致密的材料层有助于三明治结构的构建和超级电容器性能的提高,因此在上一章工作的基础上,此工作选取了颗粒状活性碳作为活性材料用于油墨的制备。首先,通过丝网印刷技术在parafilm M?基底上层层印刷银浆、碳浆和活性材料;随后,利用parafilm M?的热塑性直接对器件进行封装,最后,对器件的储能性能、柔性、防水性和实用性进行了测试。结果显示,该超级电容器具有出色的电容性能(电流密度为1 A g-1时为64 F g-1),高循环稳定性(2000次循环后电容保持率为88.6%)和较好的柔韧性(弯曲/扭曲100次后电容保持率>98%)。由于parafilm M?的超疏水性质,所制备的超级电容器经过4次水冲洗和24 h浸泡后,其电容分别保持在初始水平的98.9%和97.9%。更重要的是,粘贴在T恤上的三个器件串联可为LED灯供电,且该设备可以在纺织品表面反复粘贴和剥离。该研究不仅发展了一种可反复粘贴、防水全固态柔性超级电容器,而且为克服织物电子器件的机洗问题提供了一种新策略。3.Parafilm M?基可反复粘贴柔性压阻传感器压阻传感器因其柔性和高灵敏度受到广泛的关注。受到自然界的启发,构建具有微结构的电极表面是提高压阻传感器性能的有效方法之一。在前两个工作的基础上,本论文利用丝网印刷构建具有微纳表面结构的parafilm M?基电极,并用于可反复粘贴柔性压阻传感器的制备。在该器件中,parafilm M?既是基底,同时也是封装材料和隔膜。丝网印刷具有不同黏度的多壁碳纳米管油墨制备不同微结构的parafilm M?基电极,并组合为压阻传感器。器件性能测试结果表明,微纳结构可显著提高器件的灵敏度,在0-12 kPa压力范围下,灵敏度可高达24.90 kPa-1,检测限可低至42 Pa。以parafilm M?为基底的传感器具有较好的稳定性,可反复粘贴到织物上且对器件损害较小,实现了对人体行为的监测。该研究不仅发展了一种高度灵敏、可反复粘贴的柔性压阻传感器,而且有望进一步拓展丝网印刷技术在柔性电子领域的应用。本论文实现了丝网印刷功能材料层表面微结构的可控制备,并在此基础上构建了parafilm M?基可反复粘贴柔性超级电容器及具有高灵敏度的压阻传感器。本论文可望为大面积、低成本、可控制备表面微结构提供新的方法,并为有效解决织物基柔性电子器件的机洗耐受性问题提供新策略。